A Packet Collision Avoidance Technique in IEEE1609.4 Based Time Synchronization Multi-channel Environment

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IEEE1609.4 기반 시간 동기 멀티채널 환경에서의 패킷 충돌 회피 기법

A Packet Collision Avoidance Technique in IEEE1609.4 Based Time Synchronization Multi-channel Environment

진 성 근

^*

^★, 임 기 택

^*

, 신 대 교

^*

, 윤 상 훈

^*

, 정 한 균

^*

Seong-Keun Jin

^*

^★, Ki-Taeg Lim

^*

, Dae-Kyo Shin

^*,

Sang-Hun Yoon

^*

, Han-Gyun Jung

^*

Abstract

In this paper, we analyze the communication performance in a time synchronous multi-channel environment and deal with a packet collision avoidance technique to improve it based on IEEE1609.4 for increasing the efficiency of the control channel IEEE802.11p WAVE communication system. In previous works, they tried to solve this problem by message scheduling method on application layer software or changing the value of the random back-off optionally Contention Window. In this paper, we propose a method for adjusting the Channel Guard Interval for packet collision avoidance. The performance was evaluated by the actual vehicle test. The result was confirmed performance over 90% PDR(Packet Delivery Ratio).

요 약

본 논문에서는 IEEE802.11p WAVE 통신 시스템의 컨트롤 채널 효율성 증대를 위해 제정된 IEEE1609.4 기반 시간 동기 멀티채널 환경에서의 통신 성능을 분석하고 이를 향상시키기 위한 패킷 충돌 회피 기법에 대해 다룬다.

기존 연구에서는 어플리케이션 레이어에서의 소프트웨어적 메시지 스케줄링을 통한 방법이나 랜덤 백오프의 Contention Window 값을 임의로 변경하여 문제를 해결하고자 하였다. 본 논문에서는 패킷 충돌 회피를 위한 Channel Guard Interval 조정을 위한 방법을 제안하고 실차 테스트를 통하여 그 성능을 평가하였다. 평가 결과 PDR(packet delivery ratio) 90% 이상의 성능을 확인할 수 있었다.

Key words : WAVE, IEEE802.11p, IEEE1609.4, Multi-channel, CSMA/CA

* Korea Electronics Technology Institute

★ Corresponding author [email protected], 031-739-7422

※ Acknowledgment

This research was supported by a grant from "Development of GNSS based Transportation Infrastructure Technology (06교통핵심A03)" funded by Ministry of Land, Infrastructure, and Transport of Korean government Manuscript received Agu. 24, 2015; revised Sep. 2, 2015 ; accepted Sep. 3. 2015

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial

License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and

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Ⅰ. 서론

IEEE802.11p WAVE 통신 시스템은 기존 DSRC 시 스템의 한계를 극복하고 고속으로 주행하는 차량들과 노변 기지국들이 안전메시지 및 위험정보 등을 능동 적으로 교환하며 V2V, V2I 통신을 수행함으로 차량 주행 안전 및 도로 인프라의 효율적인 운용 및 자율 협력주행 기술을 가능하게 하는 5.9GHz 대역의 75MHz 스펙트럼을 갖는 차세대 ITS 통신기술이다 [1]. WAVE 통신 시스템은 크게 IEEE802.11p 표준과 서비스 정의를 위한 IEEE1609 시리즈 표준으로 구성 되어 있다[2].

WAVE 통신 시스템은 MAC 계층에 Control Channel(CCH)과 Service Channel(SCH)을 통하여 운 용하도록 정의되어 있다. 물리적으로 단일 RF 채널의 장치에서는 두 채널을 사용하기 위해 채널 스위칭 동 작을 수행하게 되는데 IEEE1609.4 표준에서 멀티채널 스위칭 동작에 대해 정의하고 있다. 멀티채널 모드에 서의 채널 스위칭은 Coordinated Universal Time(UTC)에 동기 되어 수행되고 UTC는 GPS의 Time Pulse 신호를 이용하거나 Timing Advertisement Frame을 이용하여 통신에 참여하는 노드들 간의 시간 동기화를 위해 사용된다.

본 논문에서는 IEEE1609.4 표준의 시간 동기 멀티 채널 환경에서의 통신 성능을 분석하였으며 이를 효 과적으로 향상시키는 패킷 충돌 회피 기법에 대해 소 개한다. 제안하는 기법은 Xilinx Kintex-7 FPGA 기 반 플랫폼에서 구현되었으며 실차 실험을 통하여 성 능을 검증하였다.

Ⅱ. 본론

1. WAVE 통신 시스템과 IEEE1609.4

WAVE 통신은 5.9GHz에서 75MHz의 스펙트럼으 로 할당된 전세계 공통의 표준 V2V, V2I 통신 시스 템이다. WAVE 통신은 자동차 사고 감소, 안전 운전 지원, 인명구조 및 교통 흐름 개선을 위해 차량 환경 에 적합하도록 설계되었다.

미국을 기준으로 10MHz 밴드의 7 채널로 배치되

Fig. 1. WAVE spectrum and channels in the U.S.[3]

그림 1. WAVE 스펙트럼 및 미국 채널[3]

어 있으며 컨트롤 채널(CCH)인 178번 채널과 그 외 서비스를 위한 채널(SCH)로 구성되어 있다. 그림 1은 미국의 WAVE 채널 배치를 보여준다.

CCH 채널은 공통 안전 통신을 위한 기본 채널로 사용되며 더불어 광고 메시지를 방송함으로서 서비스 채널에 대한 정보를 전달한다. WAVE 프로토콜 스택 은 그림 2와 같이 다양하게 구성되어 있으며 해당 스

택에 대한 다양한 표준으로 구성되어 있다.

IEEE802.11 표준의 개정으로 IEEE802.11p 표준이 포 함되었으며 하나의 물리적 채널 운영에 대한 MAC 및 PHY 레벨의 표준을 정의한다.

Fig. 2. WAVE standards and communication stack[3]

그림 2. WAVE 표준 및 통신계층[3]

IEEE1609 시리즈는 WAVE 서비스를 위한 표준이 다. 먼저, IEEE1609.1은 자원 관리자(Resource Manager)에 관한 표준으로 WAVE 자원 관리자 어플 리케이션의 서비스 및 인터페이스를 정의하고 있다.

이 표준은 WAVE 시스템 아키텍처의 주요 컴포넌트

들을 기술하고 데이터 흐름 및 데이터 자원을 정의하

며, 아키텍처 컴포넌트들 간의 정보를 교환하기 위해

어플리케이션에서 사용되는 명령 메시지 형식, 데이

터 저장 형식 등도 정의한다. IEEE1609.2는 어플리케

이션 및 관리 메시지를 위한 보안 서비스(Security

Services for Applications and Management

Messages)에 관한 표준으로 보안 메시지 형식을 정

의하고 있다. 이 표준은 보안 메시지 교환을 사용하

기 위한 환경을 정의하기도 한다. IEEE1609.3은 네트

워킹 서비스(Networking Services)를 위한 표준으로

보안된 WAVE 데이터 교환 시 필요한 어드레싱 및

라우팅을 포함하는 네트워크 계층과 트랜스포트 계층

을 정의하고 있다. 이 표준은 어플리케이션에 의해

바로 사용될 수 있는 IPv6뿐만 아니라 WAVE에 특

화된 효율적인 프로토콜인 WSMP(WAVE Short

Message Protocol)도 정의하고 있다. 마지막으로

IEEE P1609.4는 다중 채널 운용(Multi-Channel

Operations)에 관한 표준으로 IEEE 802.11 MAC에

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WAVE를 접목시키는 방안에 대해 다루며 단일 물리 채널에서의 CCH 및 SCH 운용을 위한 멀티채널 서 비스에 관하여 정의하고 있다[6].

Fig. 3. Reference internal architecture of the transmit side of the MAC with channel coordination[5]

그림 3. 채널 코디네이션 기능을 포함하는 송신부 MAC 내부 구조[5]

WAVE 통신에서 CCH 채널은 주로 안전 관련 메 시지를 전달하므로 높은 우선순위를 갖게 된다. 그림 3은 IEEE1609.4 표준에 정의된 멀티채널 MAC 구조 에 대해 나타내고 있다. CCH 채널 및 SCH 채널에 대한 각각의 우선순위 큐를 갖고 각각 4개의 우선선 위 그룹에 따라 다른 백오프 시간을 갖고 경합하게 된다.

Fig. 4. Channel access examples: (a) continuous and (b) alternating[5]

그림 4. 채널 접근 예시: (a)단독채널 (b)채널스위칭[5]

그림 4는 IEEE1609.4 표준에서 정의하고 있는 채널 운용 예시이다. 본 표준에서는 CCH 채널과 SCH 채 널을 일정 시간을 두고 교대로 사용하도록 하고 있으 며 표준에서 정의하는 채널의 간격은 50ms이다.

CCH 및 SCH 채널 쌍의 동기화 간격은 100ms로 1초 에 10번, 10Hz의 주기를 가지며 이는 Basic Safety Message(BSM) 프레임의 전달 주기 요구사항과 관계 가 있다. CCH 채널 구간의 시작은 UTC의 시작시간 과 함께 정렬된다. UTC는 GPS의 1 Pulse 신호를 사 용하거나 WAVE Service Advertisement(WSA) 프레 임에 포함되는 Timing Advertisement(TA) 프레임을 이용하여 동기화 할 수 있다[5]. 본 연구에서는 GPS 를 이용한 방법이 사용되었다.

CCH채널과 SCH채널이 상호 스위칭 될 때 다른 장치간 시간 동기 오차와 물리적 채널 변경을 위한 설정 시간을 고려하여 보호 구간(Guard Interval)을 설정하게 된다. 그림5는 UTC 동기시간에 따른 시간 동기 구간, CCH 채널 구간, SCH 채널 구간 및 보호 구간의 상관관계에 대해 표현하고 있다.

Fig. 5. Sync interval, guard interval, CCH interval, and SCH interval[5]

그림 5. 동기 간격, 보호 간격, CCH 간격 및 SCH 간격 도식[5]

표준에서 정의하는 보호 구간은 Sync Tolerance 및 Max_Channel_Switch_Time 파라미터의 합으로 각각 2ms씩 총 4ms의 보호 구간을 권장한다. 보호 구간에서는 송신은 금지되고 수신만 가능하다. 채널 스위칭 후 보호 구간이 지난 후 각 채널의 큐에 저장 된 패킷은 백오프 경합을 거친 후 우선순위에 따라 송신을 하게 된다.

IEEE1609.4 표준의 채널 스위칭 기능은 단일 무선

하드웨어 장치를 통해 다중 채널에 접근할 수 있는

장점으로 구현 시 비용을 절감할 수 있고 소비전력을

낮출 수 있는 등 장점이 있는 반면 다음과 같은 알려

진 문제들이 있다.

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가. 채널 활용도 저하

WAVE 안전 메시지를 송신 할 때 CCH 구간에서 만 송신하게 되므로 CCH 채널의 통신 밀도가 두 배 높아지며 이에 따라 통신 포화 상태가 단일 채널에 비해 상대적으로 발생하기 쉽다[3].

나. 다중 무선 하드웨어 장치 간 연동

단일 무선 하드웨어를 갖는 장치와 다중 무선 하드 웨어를 갖는 장치가 공존할 경우 이들 장치간의 연동 에 대한 부분을 표준에서 명시하지 않고 있다[3].

다. 시간 동기에 따른 채널 동기 시작 구간에서의 충 돌현상

IEEE1609.4에 따르면 통신에 참여하는 모든 장치는 시간 동시 신호나 TA를 이용하여 내부 MAC 타이머 를 초기화 한다. CCH 채널 구간에서 발생된 패킷이 주어진 시간 내에 전송되지 못하거나 소프트웨어적 스케줄링이 없어 SCH 채널 구간에서 큐에 쌓이게 되 면 다음번 CCH 구간에서 많은 패킷들이 경합을 하게 된다. 특히 재전송 메커니즘을 통해 충돌 문제를 해 결하는 유니캐스트 패킷과 달리 브로트캐스트 패킷의 경우 충돌로 인한 심각한 문제를 초래할 수 있다[3,5].

시간 동기에 따른 채널 동기 시작 구간에서의 패킷 충돌현상은 CCH 채널이 안전 메시지를 위해 사용되 는 경우가 빈번해서 높은 우선순위를 갖기 때문에 빈 번하게 발생할 수 있다. IEEE802.11 표준에서 정의하 는 랜덤 백오프 메커니즘의 경우 Contention Window(CW) 기반의 알고리즘으로 구성되어 있으며 가장 높은 우선순위를 갖는 큐의 경우 CWmin 및 CWmax 파라미터의 범위가 좁아 더 잦은 충돌이 발 생할 수 있다. 10MHz 채널 대역폭을 사용하는 WAVE 통신 시스템의 Enhanced Distributed Channel Access(EDCA) 파라미터 기본값은 표1 및 다음과 같다.

Table 1. Default EDCA parameter set for STA operation if dot11OCBActivated is true[4]

표 1. dot11OCBActivated를 사용할 경우 STA 동작의 기본 EDCA 파라미터[4]

AC CWmin CWmax AIFSN

AC_BK aCWmin aCWmax 9 AC_BE aCWmin aCWmax 6

AC_VI (aCWmin+1)

/2–1 aCWmin 3

AC_V O (aCWmin+1)

/4–1 (aCWmin+1)

/2–1 2

Ÿ aSlotTime : 13㎲

Ÿ aCWmin : 15

Ÿ aCWmax : 1023

위와 같은 파라미터에 의해 IEEE1609.4 표준의 기 본 멀티채널 MAC을 이용하여 패킷 송수신을 할 경 우 그림 6과 같이 SCH 채널 구간에서 CCH 채널 패 킷 스케줄링이 발생하게 되면 CW 값이 동일하게 선 택된 경우 Clear Channel Assessment(CCA) 탐지에 실패하게 되어 패킷 충돌이 발생한다. 패킷 충돌은 평균 30ns의 Jitter를 갖는 GPS Time Pulse 신호의 정확성[7]과 10MHz 채널 대역폭에서의 8㎲ CCA 인 지 시간 조건[4]으로 인해 IEEE802.11 표준 및 IEEE1609.4 표준의 기본 MAC 동작으로는 회피할 수 없다.

Fig. 6. IEEE1609.4 default MAC TX examples 그림 6. IEEE1609.4 기본 MAC 송신 예시 2. 관련 연구

시간 동기 멀티채널 환경에서의 패킷 충돌 문제를 해결하기 위하여 다음과 같은 문제 해결 시도가 있었 다.

가. Optimized Message Scheduling 기법

Optimized Message Scheduling 기법은 소프트웨어 적으로 CCH 채널 구간 패킷의 송신 가능성을 계산하 여 CCH 채널 구간 내에서만 패킷을 스케줄링 하는 방법이다[3]. 그림 7은 기본 멀티채널 MAC 동작과

Fig. 7. Optimized Message Scheduling[3]

그림 7. Optimized Message Scheduling[3]

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Optimized Message Scheduling MAC 동작의 비교를 나타내고 있다.

나. Distributed Reliable Multi-channel MAC(DR- MMAC) 기법

DR-MMAC 기법은 IEEE802.11 및 IEEE1609.4 표 준에서 정의한 구조 외에 Frame Information(FI) 프 레임을 추가하여 랜덤 백오프의 CW 슬롯을 예약하는 형태의 기법이다. 그림 8은 DR-MMAC의 개념도를 나타내고 있다.

Fig. 8. DR-MMAC[8]

그림 8. DR-MMAC[8]

Optimized Message Scheduling 기법은 MAC 계층 에서의 충돌을 회피할 수 있지만 소프트웨어 큐에서 버퍼링이 발생할 경우 MAC 계층에서 발생하는 충돌 위험이 존재하며 소프트웨어 연산에 따른 지연으로 채널 효율 저하 및 스케줄링 에러의 위험이 있다.

DR-MMAC 기법은 비표준 기술로 호환성 문제가 있 다.

3. 충돌 회피 기법 제안

본 논문에서 제안하는 충돌 회피 기법은 동적 보호 구간 설정 기법(Dynamic Guard Interval Multi-channle MAC:DGI-MMAC)이다. IEEE1609.4 표준에 따르면 보호 구간 내에서는 수신은 허용이 되 고 송신은 금지가 된다. 기존의 MAC 구조에서 패킷 충돌이 발생하는 주요한 원인은 우선순위 큐에 저장 된 패킷들이 CCH 채널 구간의 시작 시점에 시간 동 기화 되어 일제히 송신을 시작하는데 있다. 이 문제 를 해결하기 위해 DGI-MMAC은 두 가지 동작을 수 행할 수 있다.

가. Dynamic CWmin Control(DCC)

Dynamic CWmin Control은 CCH 채널 구간에 진 입하는 순간 큐에 저장된 패킷에 한하여 CWmin 값 을 일시적으로 변경하는 기법이다. 그림 9에 DCC 동 작의 개념을 나타내었다.

나. Guard Interval Contention Window(GICW) Guard Interval Contention Window는 IEEE802.11 표준에 정의된 EDCA 기법에 더해 CCA를 탐지할 수 있는 최소 시간인 8㎲의 슬롯 크기를 갖는 GICW를 추가하여 기존 MAC의 CW의 경우의 수를 증가시켜 충돌을 회피하는 기법이다. 그림 10에 GICW 동작의 개념을 나타내었다.

Fig. 9. (a) Default MAC CWmin, (b) DCC CWmin 그림 9. (a) 기본 MAC CWmin, (b) DCC CWmin

Fig. 10. (a) Default Backoff, (b) GICW & Backoff 그림 10. (a) 기본 Backoff, (b) GICW & Backoff

DGI-MMAC의 DCC 기법의 패킷 충돌 확률은 수

식(1)과 같고 GICW 기법의 패킷 충돌 확률은 수식

(2)와 같다. 수식을 기반으로 현재 통신에 참여하고

있는 단말의 수에 따라 가변적으로 적절한 DCWmin

값과 GICW값을 설정하게 된다.

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제안 하는 기법은 Xilinx Kintex-7 FPGA 기반 테 스트 플랫폼에 구현되어 실차 테스트를 통하여 검증 하였다. 실차 테스트는 그림 11의 스마트하이웨이 시 범구간인 경부고속도로 서울요금소～수원나들목 구간 에서 수행하였으며 통신환경 다변화를 위해 기지국 1 국, SUV, 세단, 경차, 승합차로 구성된 차량 4대를 포 함하여 다섯 대의 통신 단말을 대상으로 수행하였다.

Fig. 11. Smart-highway Pilot Road[9]

그림 11. 스마트하이웨이 시범도로[9]

실차 테스트에 사용된 패킷은 WSA, BSM, WSM 을 사용하였고 정확한 PDR 및 통신거리 측정을 위해 모든 패킷은 고유 시퀀스번호, UTC, GPS좌표를 갖도 록 수정되었으며 100바이트∼1000바이트의 Psudo- Random 데이터를 갖는 Broadcast 패킷을 사용하였 다.

Ⅲ 결론

본 논문에서 제안하는 DGI-MMAC 기법의 실차 테스트 결과를 그림 12～14에 나타내었다. 그림 12는 단일 채널 환경(SINGLE), Basic Safety Message (BSM)를 포함하는 멀티채널 환경(U_SERV), BSM과 WSA를 포함하는 멀티채널 환경(P_SERV)에 대해 DCWmin 및 GICW의 경우의 수를 16 및 256으로 변 경하여 테스트 한 결과이다. 그림 13과 그림 14는 IEEE802.11 및 IEEE1609.4 표준의 기본 MAC을 이용 한 방법과 본 논문에서 제안하는 방법을 이용하여 PDR을 측정한 결과이다. 실차 테스트 결과 기본 MAC을 사용 할 경우 가장 높은 우선순위의 Access Category Voice(AC-VO)를 사용하여 송신 할 경우 50% 이상의 충돌 현상을 나타내는 경우도 발생하였 으며 전체적으로 PDR이 현저하게 저하되는 것을 확 인할 수 있었다. 본 논문에서 제안하는 DGI-MMAC

을 사용하여 동일하게 AC-VO를 사용하여 송신한 결 과 DCWmin 및 GICW값을 256으로 선택하였을 경우 전 차량에서 평균 PDR 90% 이상의 성능을 확인할 수 있었다.

Fig. 12. In vehicle test result 그림 12. 실차 테스트 결과

Fig. 13. In vehicle test result by default MAC 그림 13. 기본 MAC을 이용한 실차 테스트 결과

Fig. 14. In vehicle test result by DGI-MMAC

그림 14. DGI-MMAC을 이용한 실차 테스트 결과

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References

[1] Jin, Seong-Keun, Yoon, Sang-Hun, Shin, Dae-Kyo, "Performances of Various AGC Algorithms for IEEE802.11p WAVE", Journal of IKEEE, v.18, no.4, 502-508, 2014

[2] Yoon, Sanghun, Jin, Seongkeun, Shin, Daegyo, Lim, Kitaeg, "Diversity modem for IEEE802.11p WAVE", Journal of IKEEE, v.18, no.4, 495-501, 2014 [3] Qi Chen, Daniel Jiang, Luca Delgrossi, "IEEE 1609.4 DSRC Multi-Channel Operations and Its Implications on Vehicle Safety Communications", Vehicular Networking Conference (VNC), 2009 [4] IEEE Std 802.11

^™

-2012, IEEE Standard for Information technology—Telecommunications and information exchange between systems—Local and metropolitan area networks—Specific requirements—

Part 11: WLAN MAC and PHY specifications [5] IEEE Std 1609.4-2010, IEEE Standard for Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE)

—Multi-channel Operation

[6] http://cseric.or.kr/new_Cseric/yungoostep/content.a sp?idx=821

[7] https://www2.u-blox.com/images/downloads/Produ ct_Docs/NEO-M8_DataSheet_(UBX-13003366).pdf [8] Ning Lu, Xinhong Wang, Ping Wang, Peiyuan Lai, Fuqiang Liu, "A Distributed Reliable Multi-channel MAC Protocol for Vehicular Ad Hoc Networks", Intelligent Vehicles Symposium, 2009 [9] http://expressway.tistory.com/706

BIOGRAPHY

Seong-Keun Jin (Member)

2008 : BS degree in Computer Science Engineering, Hankuk University of Foreign Studies.